Vypočítajte si cenu svojho domu
Námestie Andreja Hlinku 1, 010 01 Žilina
+421 911 613 911

FOTOVOLTIKA – MÝTUSY A REALITA časť prvá

Pripravili sme si pre Vás sériu článkov o Fotovoltike. Dnes Vás uvedieme do problematiky fotovoltiky a v ďalšom článku, ktorý príde už čoskoro si povieme viac o výkone fotovoltických modulov. Nezabudnite nás sledovať.

NASLEDUJÚCE ČLÁNKY SÉRIE:

2. časť: http://www.semargl.sk/vykon-fotovoltickeho-modulu-panelu/, 3. časť: http://www.semargl.sk/porovnania-modulov-a-zostav/, 4. časťhttp://www.semargl.sk/ostrovna-prevadzka-vs-fotovoltika/

Fotovoltika, alebo fotovoltaika je ľudový názov pre zariadenie na výrobu elektrickej energie /EE/ zo svetla. Zámerne som napísal zo svetla, lebo je iba vecou účinnosti fotovoltických článkov aby vyrábali EE aj zo svetla pouličných lámp napríklad.

Okolo tejto témy je veľa mýtusov a tak som sa odhodlal pred nejakým časom tejto problematike venovať viac do hĺbky. Výsledkom je množstvo zistení, o ktorých som pred tým netušil, alebo vedel iba veľmi málo aj to okrajovo. Všetko sa budem snažiť vysvetliť v totmo článku, ale najskôr začnem asi základnými pojmami aby nedošlo k zámene pojmov a dojmov.

ZÁKLADNÉ POJMY

  1. fotovoltický modul, alebo ľudovo nazývaný fotovoltický panel – pv module

Ide o sériovo paralelná zapojenie fotovoltických článkov do jedného panelu, zo spodu kryté krytom a z hora kryté sklom. Je tiež vybavený napájacím zariadením s diódami prípadne mikromeničom, alebo optimalizérom.

  1. fotovoltický článok, alebo bunka – pv cell

Je článok z ktorého skladá fotovoltický modul. Pri amorfných moduloch sa o článkoch nehovorí nakoľko ide o súvislú vrstvu aktívnej látky.Ide o aktívny prvok pri výrobe elektrickej energie /EE/

  1. Menič napätia – inverter

Je zariadenie, ktoré mení jednosmerný prúd modulu /DC/ na striedavý /AC/

  1. Solárny regulátor nabíjania

Je zariadenie, ktoré reguluje kolísavé DC napätie modulu na nami požadované napätie taktiež DC, ktoré využívame buď priamo do siete v prípade, že ide o sieť DC /veľmi výnimočne sa Dc sieť používa. Skôr na lodiach a podobne/, alebona nabíjanie batérie /24V DC, 48V DC a pod./

  1. mikromenič

Zariadenie napojené priamo na modul. Jeho úlohou je meniť DC modulu na AC a posielať ho priamo do siete napríklad. Jeho použitím je možné moduly zapojiť paralelne a tým odstrániť vplyv sériového zapojenia modulov.

  1. DC optimalizér

Zariadenie napojené priamo na modul. Jeho úlohou je znižovať straty v module v prípade, že modul je zatienený, alebo znečistený, prípadne je jeho funkcia nejako obmedzená.Vykonáva to podbne ako dióda v napájacom boxe, ale ešte dokonalejšie odpája vetvy v rámci modulu a niektoré optimalizéry ako napríklad MAXIM odpájajú jednotlivé články. Presný popis nepoznám.

  1. string – okruh

Ide o slangové pomenovanie elektrických okruhov/vetiev. Môže ísž o string v rámci modulu, alebo o strig modulov zapojeným v poli modulov.

  1. NOCT

Teplota povrchu modulu pri priamom žiarení slnka 800W/m2, okolitej teplote 20°C, rýchlosti vetra 1m/s, a spektra AM 1,5

Orientačný výpočet nájdete tu: http://www.semargl.sk/noct-kalkulacka/

  1. STC

Ide o metodiku pri ktorej sa meria výkon modulu. Parametre pri ktorých sa modul meria sú: žiarenie 1000W/m2, teplota povrchu článku 25°C, a spektrum AM 1,5. Ide v podstate o nereálne podmienky na väčšine planéty.

  1. spektrum AM 1,5

Ide o spektrum svetla dopadajúceho na modul. Môžeme ho zjednodušene vyjadriť obrátenou hodnotou cos uhla odklonu slnka od zenitu. Hodnota AM1,5 je priaznivá hodnota.

Orientačný výpočet nájdete tu:

  1. žiarenie priame

Je to priame žiarenie slnka. Ľudovo povedané: „ide o situáciu keď slnko svieti“. Teda na modul môžu dopadať priame slnečné lúče.

  1. žiarenie difúzne

Je také svetlo, ktorého smer neviem určiť, nakoľko nejde o priamo svietiace lúče slnka, ale o odrazené, alebo inak rozptýlené svetlo. Hovoríme mu tiež všetmerové. Je to ten stav kedy je vonku svetlo ale nevrháme tieň.

  1. žiarenie globálne

Je súčet priameho a difúzneho žiarenia. Vyskytuje sa počas slnečných dní kedy sa slnečneé svetlo odráža aj od predmetov alebo od zeme a podobne.

  1. monokryštalický modul

Ide o modul pozstávajúci z jasne definovateľných článkov monokryštálu najčastejšie kremíka – Si. Monokryštál je tuhá látka vykryštalizovaná do pravidelnej kryštalickej mriežky bez chýb, tzv. dislokácií, alebo vakancií, a bez nečistôt. Moduly boli vyvinuté pre slnečné a teda hlavne púštne podmienky.Ich účinnosť je až vyše 22% (Power Sun)

  1. amorfný modul

Ide o modul pozstávajúci z ako keby jedného kusu článku amorfnej látky na rôznej báze, najčastejšie na báze kremíka – Si. Amorfná látka je látka bez známky kryštalickej mriežky. Niekedy sa jej môže povedať aj sklo.

Moduly boli vyvinuté hlavne pre podmienky s vysokým výskytom difúzneho svetla.Ich účinnosť je okolo 14-16%.

  1. polykryštalický modul

Ide o modul pozstávajúci z jasne definovateľných článkov, ktoré sú akousi zmesou rôznych kryštálov, alebo zŕn s pravidelnou kryštalickou mriežkou.Moduly boli vyvinuté pre podmienky so striedavým výskytom vysokých oslenení a difúzneho svetla. Ich účinnosť je okolo 16,5-19%

  1. intenzita žiarenia

Ide o ľudovo povedané „silu svetla“ dopadajúceho na modul. Vyjadrujeme ju vo W/m2. Pri slnečneom letnom dni je okolo 1000-1200W/m2 v nadmorskej výške 0m nad morom. V nadmorskou výškou = s klesajúcou hustotou vzduchu (tlakom vzduchu presnejšie) intenzita stúpa.

AKO MODUL FUNGUJE?

Zameriam sa iba na zjavné veci pre jednoduchosť a preto nepôjdem do fyziky PN prechodu – článku.

Podobných článkov o tom čo sa deje na PN prechode článku nájdete na webe množstvo. Ich význam je mi neznámy…

Výroba EE prebieha ako iste všetci viete tak, že na modul, lepšie povedané na jeho články dopadá cez ochranné sklo svetlo, ktoré článok premení na EE. Táto premena sa deje pri istej účinnosti, ktorá závisí od mnohých faktorov, ktoré vysvetlím neskôr.

ÚČINNOSŤ MODULU

Účinnosť premeny svetla na EE býva v rozmedzí od asi 14% po asi 22% u najlepších modulov, prípadne až 38% u testovacích modulov, ktoré v predaji asi iba ťažko nájsť, jednak kvôli ich cene a tiež kvôli ochrane pred priemyselnou špionážou. To znamená, že ak svieti svetlo s intenzitou 1000W/m2 tak pri účinnosti modulu 20% vyrobí 200W EE na 1m2. Pri žiarení napríklad 500W/m2 by mal vyrobiť analogicky 500×0,2=100W EE na m2 atď.

Na obrázku vidíme príklad výkonu modulu pri rôznych žiareniach.

fotovoltika

Základná účinnosť modulu sa uvádza pri podmienkach STC:  žiarenie 1000W/m2, teplota povrchu článku 25°C, a spektrum AM 1,5 – a ako som písal v základných pojmoch, tieto parametre sú nereálne.

Aby článok dosahoval teplotu 25°C pri žiarení 1000W/m2 (to je slnečný letný deň) musel by sa nachádzať vo vzduchu o teplote -6°C!

Na obrázku vidíme ako sa menia parametre článku v závisloti na jeho teplote. Ako základnú teplotu tu vidíme 25°C, ku ktorej sa ostatné hodnoty porovnávajú.

Čo ako sami uznáte nie je na Slovensku možné a ani na väčšine sveta. Takéto podmienky by mohli nastať niekde v Jakutsku, alebo v Grónsku a pod. aj to iba v čase kedy žiarenie slnka dosahuje 1000W/m2. Výpočet si môžete overiť v kalkulačke pre výpočet teploty povrchu modulu na linku: http://www.semargl.sk/noct-kalkulacka/

– štandardná hodnota NOCT je 45°C

Účinnosť modulu však nie je hodnota stála! To že je účinnosť pri plnom žiarení taká istá ako pri žiarení napríklad 100W/m2 je mylná predstava, na základe ktorej dochádza azda k najväčším omylom pri hodnotení modulov.

Účinnosť modulu sa mení so zmenou žiarenia a pri hodnotách pod 400W/m2 ÚČINNOSŤ RAPÍDNE KLESÁ u väčiny modulov!!!

Toto je základná informácia celého tohoto článku, a aj keby ste už nečítali ďalej a iba by ste si ostatné veci domysleli, tak vaša schopnosť zhodnotiť moduly sa týmto okamihom zvýšila na dostatočnú mieru. To znamená, že ak má modul pri 1000W/m2 účinnosť napríklad 17%, tak pri 400W/m2 už ju má napríklad 16,5%, pri 200W/m2 už ju môže mať 14% a pri 100W/m2 býva častokrát aj iba okolo 5%. Pri špičkových a kvalitných moduloch však takýto pokles účinnosti nebýva, ale zase tento maôlý pokles sa prejaví aj na cene modulu.

Zmena účinnosti článku, alebo modulu súvisí hlavne s vlnovou dĺžkou svetla aké na článok dopadá. Účinnosť sa mení aj teplotou článku a to tak že čím je chladnejšie tak účinnosť sa môže zvýšiť oproti základnej hodnote.

Na obrázku vidíme P-V krivku (P-výkon, V-volty/napätie) štandardného výrobcu modulov. Ide o modul, ktorého parametre pod 400W/m2 výrobca nechce ukázať.

ÚČINNOSŤ MODULU vs. TYP ŽIARENIA

Účinnosť modulov rôznych konštrukcií je rôzna a so zmenou typu žiarenia sa rôzne mení. Moduly na báze kremíka sú napríklad najcitlivejšie na zelenú časť spektra (okolo 500nm). Moduly vo vesmíre zase na UV žiarenie a pod.

Na vlnovú dĺžku svetla má okrem polohy slnka vplyv aj samotné sklo nad článkami, ktoré mení frekvenciu prenikajúceho svetla. Existujú rôzne tajné know how výrobcov skiel, ktoré vedia frekvencie zvýšiť (up konverzia) alebo znížiť (down konverzia) podľa potreby, ale o tom napíšem neskôr.

Účinnosť modulov súvisí aj s typom svetla aké na ne dopadá. Niektoré moduly reagujú pomerne dobre na difúzne svetlo (hmly, dážď, zamračené, sneženie) a niektoré pri takomto svetle nejavia žiadne „známky života“. V zásade všetky typy modulov reagujú veľmi dobre na priame slnenčné lúče. Ale to vyplýva z ich podstaty.

Napríklad monokryštalický modul nijako, alebo veľmi chabo reaguje pri difúznom svetle. A ak aj niečo vyrobí, tak je to dané iba tým, že jeho základná účinnosť je najvyššia z pomedzi všetkých.

Naproti tomu však niektoré amorfné moduly pri zamračenom slnku a snežení majú účinnosť stále pomerne dobú. Teda ich účinnosť klesne iba malú časť, no ich prvotne nízka účinnosť determinuje aj výsledok pri zamračenom počasí a výsledok je taký, že ich učinnosť je napríklad nižšia ako pri polykryštalických moduloch. Amorfné moduly majú ešte ten problém, že ich výkony na modul sú malé a je nutné použiť viac modulov a teda aj viac elektrických vodičov, ktoré celkovú účinnosť systému ďalej znižujú a preto sa ich postupne vytláčajú polykryštalické moduly.

Z tohoto základného konštatovania si vieme predstaviť na aké účely sa aký modul najviac hodí.

Pripravili sme si pre Vás sériu článkov o Fotovoltike. Dnes Vás uvedieme do problematiky fotovoltiky a v ďalšom článku, ktorý príde už čoskoro si povieme viac o výkone fotovoltických modulov. Nezabudnite nás sledovať.